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République Algérienne Démocratique et Populaire Ministère de l'enseignement sup

République Algérienne Démocratique et Populaire Ministère de l'enseignement supérieur et de la recherche scientifique Université Abou BEKR BELKAID LABORATOIRE DE GENIE BIOMEDICAL THÈSE Présentée par BENALI Radhwane Pour obtenir le titre de DOCTEUR De FACULTE DE TECHNOLOGIE Spécialité : ELECTRONIQUE BIOMEDICALE Titre : Analyse du signal ECG par réseau adaptif d’ondelettes en vue de la reconnaissance de pathologies cardiaques A Soutenir en Avril 2013, devant le jury composé de : Président CHIKH Mohamed Amine, Professeur, Université de TLEMCEN Examinateurs NAIT ALI Amine, Professeur, Laboratoire LISSI, Université Paris-Est-Créteil BOUGHANMI Nabil, Professeur, Université des Sciences et Technologie, Oran FOURNIER Régis, MCCA, Laboratoire LISSI, Université Paris-Est-Créteil Directeur de thèse : BEREKSI REGUIG Fethi, Professeur, Université de Tlemcen Co-Directeur de thèse : HADJ SLIMANE Zine edine, MCCA, Université de Tlemcen Dédicaces Je dédie ce travail à : A ma mère, A mon père, A mes frères et sœurs, A toute ma famille, A tous mes enseignants et mes collègues a l’université de Tlemcen. A tous ceux que j'aime Qu'ils trouvent ici l'expression de toute ma reconnaissance. Remerciements Avant tout, je remercie Dieu de m'avoir donné la force pour réaliser ce présent travail. (الحمد هلل) Je tiens à exprimer ma très profonde gratitude à Monsieur Fethi BEREKSI- REGUIG, professeur à l'université de Tlemcen et directeur du laboratoire de recherche Génie Biomédical (GBM) qui n’a ménagé aucun effort pour me prendre en charge pour la réalisation de ce travail. Sa clairvoyance, sa générosité, sa gentillesse, ses connaissances, le temps qui m'a dispensé, et sa grande disponibilité dont il a fait preuve; m'ont énormément facilité ma tâche. Je tiens aussi à remercier Mr Zine-eddine HADJ SLIMANE maître de conférences à l'université de Tlemcen d'avoir été disponible à toutes mes sollicitations. J'adresse mes très sincères remerciements à Monsieur Mohamed Amine CHIKH, professeur à l'université de Tlemcen et celui qui m’a donné les assises de la recherche scientifique, et aussi pour l’intérêt qu’il a accordé à ce travail en acceptant de le juger et de présider le jury. Je tiens aussi à remercier les membres du jury qui m’ont fait l’honneur de participer à l’examen de ce travail :  Mr NAIT ALI Amine, Professeur, Laboratoire LISSI, Université Paris-Est-Créteil  Mr BOUGHANMI Nabil, Professeur, Université des Sciences et Technologie, Oran  Mr FOURNIER Régis, MCCA, Laboratoire LISSI, Université Paris-Est-Créteil Qu’ils trouvent ici toute ma reconnaissance Abstract The electrocardiogram (ECG) signal is widely employed as one of the most important tools in clinical practice in order to assess the cardiac status of patients. It represents the variations of the electrical activity of the heart as function of time. The classification of the ECG beats into different pathologic disease categories is a complex pattern recognition task. In this thesis, we propose a method for ECG heartbeat pattern recognition using wavelet neural network. An algorithm based on wavelet for QRS detection is first implemented, and then a wavelet neural network Classifier is developed. The experimental results obtained by testing the proposed approach on ECG data from the MIT-BIH arrhythmia database demonstrate the efficiency of such an approach when compared with other methods existing in the literature. Keywords ECG, Feature extraction, QRS, Wavelet, Classification, Wavelet Network, Cardiac arrhythmia. RESUME Le signal électrocardiogramme (ECG) est trés largement utilisé comme l'un des outils les plus importants dans la pratique clinique afin d'évaluer l'état cardiaque des patients. Il représente les variations de l'activité électrique du cœur en fonction du temps. La classification des battements du signal ECG en différents cas pathologiques est une tâche de reconnaissance tres complexe. Dans cette thèse, nous proposons une méthode pour la reconnaissance automatique des battements cardiaques en utilisant un réseau d'ondelettes. Un algorithme dédié à la détection du complexe QRS basé sur la décomposition en ondelettes est d'abord implémenté, suivi du développement d’un classificateur a base de réseau d’ondelettes. Les résultats expérimentaux obtenus en testant l'approche proposée sur les enregistrements ECG de la base de données MIT-BIH démontrent l'efficacité d'une telle approche par rapport à d’autres méthodes existantes dans la littérature. Mots Clés ECG, caractérisation, détection, QRS, Ondelette, Classification, Réseau d’ondelettes, arythmie. ملخص األطروحة إشارة المخطط الكهربائي للقلب(م ك ق ) تستعمل على نطاق واسع باعتبارها واحدة من أهم األدوات التطبيقية في العيادة من أجل تقييم حالة قلب المرضى .إنها تمثل تغير النشاط الكهربائي للقلب مع الزمن . تصنيف ضربات القلب إلى فئات مرضية محددة ومختلفة هي مهمة معقدة. في هذه األطروحة ، نقترح طريقة للتعرف على أنماط ضربات القلب المختلفة باستخدام شبكة المويجات العصبية في المرحلة االولى طبقت خوارزمية مبنية على الموي جات للكشف بدقة عن أماكن المركب ومن ثم تم تطوير مصنف شبكة المويجات العصبية. النتائج التجريبية التي تم الحصول عليها عن طريق اختبار النهج المقترح على إشارات(م ك ق )من قاعدة البيانات أثبت كفاءة هذا النهج بالمقارنة مع الطرق األخرى والمنشورة في مجالت علمية مشه ورة. كلمات بحث ميزة استخراج، المويجات، التصنيف، شبكة المويجات ، أمراض قلبية ، (م ك ق) Table des matières TABLE DE FIGURE ............................................................................................................ 11 LISTE DES TABLEAUX ....................................................................................................... 14 TABLE DES NOTATIONS : ................................................................................................. 15 INTRODUCTION GENERALE ............................................................................................. 16 NOTIONS DE BASE EN CARDIOLOGIE ............................................................................... 20 INTRODUCTION ......................................................................................................................... 21 1. LE SYSTEME CARDIO-VASCULAIRE .............................................................................................. 21 1.1. Le cœur ...................................................................................................................... 21 1.2. La circulation sanguine .............................................................................................. 22 2. L’ELECTROPHYSIOLOGIE CARDIAQUE........................................................................................... 23 2.1. Propriétés électrophysiologiques des cellules cardiaques ......................................... 24 2.2. Le fonctionnement électrique du cœur ..................................................................... 25 3. L’ELECTROCARDIOGRAPHIE ...................................................................................................... 27 3.1. Présentation .............................................................................................................. 27 3.2. Système de Dérivations électrocardiographiques ..................................................... 27 3.2.1. Les dérivations périphériques ........................................................................................ 27 3.2.1.1. Les dérivations périphériques bipolaires ................................................................ 28 3.2.1.2. Les dérivations périphériques unipolaires .............................................................. 29 3.2.2. Les dérivations précordiales ........................................................................................... 29 3.2.2.1. Position des électrodes précordiales ...................................................................... 30 3.3. Le signal électrocardiogramme ................................................................................. 30 3.3.1. Les ondes enregistrées sur un ECG normal .................................................................... 31 3.3.2. Les segments et intervalles qui caractérisent un ECG normal ....................................... 33 3.4. Le rythme cardiaque .................................................................................................. 34 3.5. L’ECG ambulatoire (HOLTER) ..................................................................................... 34 4. LES PATHOLOGIES CARDIAQUES ................................................................................................. 36 4.1. Rythme sinusal .......................................................................................................... 36 4.2. Les arythmies cardiaques .......................................................................................... 37 4.2.1. Types d'arythmies courantes ......................................................................................... 37 L'extrasystole : ..................................................................................................................... 37 Le flutter atrial (auriculaire) : ............................................................................................... 38 La fibrillation atriale (Fibrillation auriculaire) ...................................................................... 38 La tachycardie supra-ventriculaire (auriculaire ou jonctionnelle) ....................................... 39 La fibrillation ventriculaire ................................................................................................... 40 La tachycardie ventriculaire ................................................................................................. 40 4.2. Les Blocs..................................................................................................................... 41 Bloc sino-auriculaire ................................................................................................................. 41 Bloc auriculo-ventriculaire ....................................................................................................... 42 Blocs de branche ...................................................................................................................... 43 4.3. Les extrasystoles ........................................................................................................ 44 4.3.1. L'extrasystole ventriculaire (ESV) ................................................................................... 45 4.3.2. L'extrasystole supra-ventriculaire (ESsV) ....................................................................... 46 CONCLUSION : .......................................................................................................................... 47 CHAPITRE II ..................................................................................................................... 48 THEORIE DES ONDELETTES .............................................................................................. 48 INTRODUCTION ......................................................................................................................... 49 2.1. REPRESENTATION TEMPS-FREQUENCE : DE FOURIER AUX ONDELETTES ........................................... 49 2.2. LES ONDELETTES ................................................................................................................. 51 2.2.1. Définitions .............................................................................................................. 52 2.2.2. Propriétés des ondelettes ....................................................................................... 55 2.2.2.1. Sélectivité en fréquence .............................................................................................. 55 2.2.2.2. Similarité...................................................................................................................... 55 2.2.2.3. Symétrie ...................................................................................................................... 55 2.2.2.4. Orthogonalité .............................................................................................................. 55 2.2.2.5. Régularité .................................................................................................................... 55 2.2.2.6. Nombre de moments nuls ........................................................................................... 55 2.2.2.7. Facteur d'échelle minimal ........................................................................................... 55 2.2.2.8. Relation entre fréquence et échelle ............................................................................ 56 2.2.3. La transformée en ondelette continue ................................................................... 56 2.2.3.1. Définition ..................................................................................................................... 56 2.2.3.2. Reconstruction ............................................................................................................ 57 2.2.4. La transformée en ondelette discrète .................................................................... 57 2.2.4.1. Définition ..................................................................................................................... 57 2.2.4.2. L’analyse multi résolution ........................................................................................... 59 2.2.5. Paquet d’ondelette ................................................................................................. 60 2.3. CRITERES DE CHOIX DES ONDELETTES ...................................................................................... 61 2.4. APPLICATION DES ONDELETTES SUR LE SIGNAL ECG .................................................................... 63 CONCLUSION ............................................................................................................................ 65 CHAPITRE III .................................................................................................................... 66 TRAITEMENT DU SIGNAL ECG PAR LES ONDELETTES ........................................................ 66 INTRODUCTION ..................................................................................................................... 67 3.1. PRETRAITEMENT DU SIGNAL ECG ................................................................................ 68 3.1.1. Types de bruits présents dans le signal ECG ................................................ 68 3.1.1.1. Bruits d’origine technique ........................................................................................... 69 A. Le Bruit du réseau 50Hz ................................................................................................... 69 B. Les bruits dûs au mauvais contact électrode-peau ......................................................... 69 C. Autres bruits .................................................................................................................... 70 3.1.1.2. Bruits physiques .......................................................................................................... 70 A. Fluctuations de la ligne de base ....................................................................................... 70 B. Bruits dûs au signal électromyogramme EMG ................................................................ 71 C. Autres artefacts d’origine physique ................................................................................. 71 3.1.2. Etat de l’art sur le filtrage de l’ECG ................................................................. 71 3.1.3. Filtrage de l’ECG ................................................................................................ 72 3.3.1.1. Principe du dé-bruitage par les ondelettes .......................................................... 72 Seuillage dur ......................................................................................................................... 73 Seuillage doux ...................................................................................................................... 73 3.3.1.2. Filtrage du signal ECG par ondelette ................................................................... 74 3.2. DETECTION DU COMPLEXE QRS ............................................................................................. 78 3.2.1 Etat de l’art sur la détection du complexe QRS ....................................................... 79 3.2.2. Principe de l’algorithme de détection des complexe QRS : .................................... 80 3.2.2.1 Principe de l’algorithme implémenté ........................................................................... 80 3.2.2.2 Analyse des Résultats Obtenus .................................................................................... 84 CONCLUSION ............................................................................................................................ 89 CHAPITRE IV ................................................................................................................... 90 ETUDE ET DESCRIPTION DU RESEAU D’ONDELETTES ........................................................ 90 INTRODUCTION ......................................................................................................................... 91 4.1. NOTIONS DE BASE SUR LES RESEAUX DE NEURONES .................................................................... 91 4.1.1. Présentation ........................................................................................................... 91 4.1.2. Neurone artificiel et neurone biologique ............................................................... 91 4.1.2.1. Neurone biologique ..................................................................................................... 92 4.1.2.2. Neurone artificiel (formel) .......................................................................................... 92 4.1.3. Architectures des réseaux de neurones .................................................................. 95 A. Les Réseaux non bouclés "FEED-FORWARD" ....................................................................... 95 A.1. Les Perceptrons ............................................................................................................ 96 A.2. Les réseaux à fonction radiale (RBF) ............................................................................. 97 B. Les Réseaux bouclés "FEED-BACK" ....................................................................................... 97 B.1. Les réseaux de Hopfield ................................................................................................ 97 B.2. Les cartes auto organisatrices de Kohonen .................................................................. 98 B.3. Les ART (Adaptive Resonance theory) .......................................................................... 98 4.1.4. Apprentissage des réseaux de neurones ................................................................ 99 uploads/Science et Technologie/ manuscrit-de-these.pdf